Lektsii_Fizika_chast_III

существования знакомой нам Вселенной. Понятно, что вероятность попадания значения каждой из физических постоянных в эти «ворота» крайне мала, а уж вероятность попадания в них всей совокупности значений c, G, e me, mp и h вместе кажется практически равноё нулю. В связи с этим обоснованной оказывается постановка вопроса о существовании пока не познанных наукой закономерностей, которые приводят к вполне определённой организации Вселенной.

Для описания этой ситуации в 70-е годы XX века был предложен так называемый антропный принцип, допускающий две основных формулировки.

Первая формулировка получила название слабого антропного принципа. Предполагается, что Большой взрыв – лишь один из этапов эволюции Вселенной, в ходе каждого из которых возникали совершенно разные комбинации физических постоянных. На одном из этапов случайно реализовались именно те условия, которые необходимы для существования человека и знакомой ему окружающей действительности. Мы видим мир таким, какой он есть, и ничего иного нам увидеть не дано, поскольку в других условиях человека просто не будет существовать, как наблюдателя.

Более серьезное содержание заложено в сильном антропном принципе, согласно которому Вселенная должна быть именно такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог возникнуть наблюдатель. Другими словами наблюдаемая комбинация значений фундаментальных физических постоянных не случайна: существуют неизвестные нам пока закономерности, согласно которым эволюция Вселенной должна идти имено в том направлении, которое мы видим. При этом появление разума – не только закономерный шаг в развитии Вселенной, но этот шаг имеет определённую цель, которая, возможно, каким-то образом должна проявиться в последующем процессе её развития.

190

Вопросы для повторения

1.Какие парадоксы возникают в рамках модели, основанной на предположении о бесконечности Вселенной в пространстве и во времени?

2.Какой смысл имеет критическое значение средней плотности вещества во Вселенной?

3.Приведите примеры фактов, свидетельствующих в пользу теории Большого взрыва.

4.Кратко опишите ход эволюции Вселенной с момента Большого взрыва.

5.Какие объекты называются звёздами первого поколения? Какова их роль в эволюции Вселенной?

6.Какие реакции протекают в недрах звёзд? Приведите приме-

ры.

7.Опишите основные этапы эволюции звёзд.

8.Какие небесные объекты называются нейтронными звёздами

ичёрными дырами? Каковы особенности этих объектов?

9.В чём заключается разница в формулировках слабого и сильного антропного принципа?

Литература: [2, 6, 8, 11]

191

ЛИТЕРАТУРА

I. Основная:

1.Физика твёрдого тела: Учебное пособие для технических университетов / И.К.Верещагин, С.М. Кокин, В.А. Никитенко, В.А. Селезнёв, Е.А. Серов; под ред. И.К. Верещагина. – М.: Высш. шко-

ла, 2001. – 237 с.

2.Д е т л а ф А.А., Я в о р с к и й Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. школа, 2002. – 718 с.

3.С а в е л ь е в И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. Т. 3. –

М.: Наука, 1987. – 320 с.

4.Сборник задач по дисциплине «Физика» / Под общ. ред. проф.

С.М. Кокина – М.: МИИТ, 2006. – 144 с.

5. Ч е р т о в А.Г., В о р о б ь ё в А.А. Задачник по физике: Учеб. пособие для вузов. – М.: Изд. Физ.-мат. литературы, 2002. – 640 с.

II. Дополнительная:

6.Н и к и т е н к о В.А., П р у н ц е в А.П. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. – М.: МИИТ, 2004. – 210 с.

7.Т р о ф и м о в а Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. –

М.: Высш. школа, 2000. – 542 с.

8.Физическая энциклопедия (под ред. А.М. Прохорова). Т. 1 –

5.– М.: Советская энциклопедия – Большая Российская энциклопе-

дия, 1988 – 1998.

9.Е п и ф а н о в Г.И. Физика твердого тела. – M.: Высш. школа,

1977. – 288 с.

192

1.1.Волновые свойства микрочастиц. . . . . . . . . . . . . . . .4

1.2.Волны де Бройля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1.3.Вероятностный смысл волн де Бройля. . . . . . . . . . . . .8

Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.1.Соотношения неопределённостей Гейзенберга . . . . . . . 10

2.1.1.Следствия из соотношения неопределённостей . . 13

2.1.2.Принцип дополнительности . . . . . . . . . . . . . 13

2.1.3.Принцип соответствия . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.Волновая функция. Уравнение Шредингера . . . . 14

2.3.Движение свободной микрочастицы . . . . . . . . 17

3.1.Решение уравнения Шредингера для частицы в потенциальной яме. Квантование энергии (основы наноэлектроники). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.Прохождение микрочастицы через потенциальный ба-

3.3.Туннельный эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.1.Барьер произвольного профиля. . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2.«Холодная» эмиссия электронов из металла. . . . . . . . . 29

4.3.Линейный гармонический осциллятор. . . . . . . . . . . . 30

4.4.Уравнение Шредингера для водородоподобного атома . . 32

4.5.Квантовые числа, характеризующие состояние электронов в атоме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.6.Спектр излучения атома водорода . . . . . . . . . . . . . . 36

Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.1.Пространственное квантование. . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.2.Собственный момент импульса (спин). . . . . . . . . . . . 40

5.3.Эффект Зеемана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.4.Опыт Штерна и Герлаха. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

193

6.1.Многоэлектронные атомы. Принцип Паули . . . . . . . . . 45

6.2.Спин-орбитальное взаимодействие. . . . . . . . . . . . . . 47

ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

6.3.Невырожденные и вырожденные коллективы. . . . . . . . 49

6.4.Функция распределения. Фазовое пространство . . . . . . 49

6.5.Плотность состояний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

7.1.Функция распределения Ферми-Дирака . . . . . . . . . . 56

7.2.Положение уровня Ферми в металле . . . . . . . . . . . . 58

7.3.Распределение Бозе-Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.4.Фотонный газ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Лекция № 8

8.1.Распределение Максвелла-Больцмана . . . . . . . . . . . . 64

8.2.Связь атомов в молекулах и кристаллах . . . . . . . . . . . 66

8.2.1.Химические виды связи . . . . . . . . . . . . . . . 66

8.2.2.Физическая связь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

8.3.Энергетические уровни молекул. Спектры излучения . . . 68

8.4.Кристаллы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

8.5.Дефекты кристаллической решетки . . . . . . . . . . . . . 72

Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

9.1.Дислокации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

9.2.Колебания кристаллической решетки . . . . . . . . . . . . 74

9.3.Фононы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

9.4.Энергия электронов в кристаллах. Зонная теория. . . . . . 78

Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

10.1.Движение электронов в кристалле под действием электрического поля. Эффективная масса . . . . . . . . . . . . 83

10.2.Понятие о дырках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

10.3.Основные типы энергетических уровней в кристаллах. . . 85

10.3.1.Донорные уровни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

10.3.2.Акцепторные уровни . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

10.3.3.Центры рекомбинации . . . . . . . . . . . . . . . . 88

10.3.4.Уровни прилипания. . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

10.3.5.Экситоны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

194

10.4.Распределение электронов по энергетическим уровням . . 89

10.4.1.Собственный полупроводник . . . . . . . . . . . . 89

10.4.2.Примесный полупроводник . . . . . . . . . . . . . 92

Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

11.1.Электропроводность твердых тел. . . . . . . . . . . . . . . 94

11.2.Определение концентрации носителей заряда и их подвижности. Эффект Холла . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

.

11.3.Электропроводность кристаллов в сильных электрических полях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

11.4.Сверхпроводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

12.1.Сверхпроводники в магнитном поле . . . . . . . . . . . . 106

12.2.Эффект Джозефсона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

12.3.Применение сверхпроводимости . . . . . . . . . . . . . . 108

12.3.1.Создание сильных магнитных полей . . . . . . . 108

12.3.2.Линии электропередач с малыми потерями. . . . 108

12.3.3.Измерительная техника. . . . . . . . . . . . . . . 109

12.3.4.Криогенные элементы компьютеров . . . . . . . 109

12.4.Контакт двух металлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

12.5.Контакт металла с полупроводником. . . . . . . . . . . . 111

Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

13.1.Контакт двух полупроводников с различным типом проводимости (p-n–переход) . . . . . . . . . . . . . . . . 118

13.2.Туннельный диод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

13.3.Обращенный диод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

13.4.Транзистор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

13.5.Неравновесные носители заряда в полупроводниках . . . 126

Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

14.1.Поглощение света в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . 128

14.2.Фотопроводимость, фотоэффект в p-n–переходах и МДП-структурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

14.3.Физические основы ксерокопирования и лазерный принтер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

195

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

16.1.Состав ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

16.2.Ядерные силы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

16.3.Ядерные превращения. Радиоактивность . . . . . . . . . 155

16.3.1.Закон радиоактивного распада. . . . . . . . . . . 155

16.3.2.Ядерные превращения . . . . . . . . . . . . . . . 155

16.4.Основы радиационной дозиметрии. . . . . . . . . . . . . 158

Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

17.1.Основы ядерной энергетики. . . . . . . . . . . . . . . . . 161

17.1.1.Принципиальные пути получения ядерной энергии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

17.1.2.Ядерные реакции деления . . . . . . . . . . . . . 161

17.1.3.Ядерные реакции синтеза. . . . . . . . . . . . . . 163

17.2.Элементарные частицы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

17.3.Типы фундаментальных взаимодействий . . . . . . . . . 168

17.3.1.Гравитационное взаимодействие . . . . . . . . . 169

17.3.2.Электромагнитное взаимодействие . . . . . . . . 171

17.3.3.Сильное взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . 171

17.3.4.Слабое взаимодействие. . . . . . . . . . . . . . . 172

17.3.5.Сопоставление четырёх типов взаимодействий . 173

18.1.Эволюция взглядов на строение Вселенной . . . . . . . . 178

18.2.Возникновение и эволюция Вселенной . . . . . . . . . . 181

18.3.Проблемы современной космологии . . . . . . . . . . . . 187

Вопросы для повторения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

196

Св. план 2007 г., поз. 169

Никитенко Владимир Александрович Кокин Сергей Михайлович

ФИЗИКА Часть III

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ